厄瓜多尔某水电站左坝肩开挖边坡的稳定性评价

毛会永, 罗志刚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)



厄瓜多尔某水电站左坝肩开挖边坡的稳定性评价

毛会永, 罗志刚

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065)

摘要：以厄瓜多尔某水电站左坝肩1 518 m高程以上开挖边坡为例,结合开挖后地表地质测绘成果,前期钻孔勘探、试验结果和最新的水平取芯钻孔结果,应用Swedge(Demo)软件对边坡开挖后可能形成的不稳定块体进行稳定性分析,根据开挖前、后的地质情况,对倾倒变形体的稳定性进行判断,并与现场变形监测结果进行对比.结果表明:无论是天然边坡,还是开挖后的边坡,均不存在大规模的深层滑动问题,左坝肩边坡整体处于稳定状态,现场变形监测结果也表明了这一点.最后根据分析评价结果提出了边坡的处理措施.

关键词：边坡开挖;变形特征;稳定性评价;支护措施

工程位于南美洲厄瓜多尔境内萨莫拉(Zamora)河上,为引水式电站,开发任务为发电,电站装机180 MW.主要建筑物由首部枢纽、左岸引水系统、发电厂房及其附属设施组成.首部枢纽主要包括混凝土重力坝和电站进水口,坝顶高程1 493 m.

左岸坝肩边坡开挖至1 518 m高程后,局部出现拉裂或坍塌.根据施工情况,结合开挖后地表地质测绘成果,前期钻孔勘探、试验结果和最新的水平取芯钻孔结果,对左坝肩1 518 m高程以上边坡开挖后的稳定性进行分析与评价.

1边坡工程地质条件

1.1　基本工程地质条件

萨莫拉(Zamora)河谷狭窄,施工前河谷两侧植被茂密.河流在坝轴线处流向为SW186°,坝址区河谷两岸边坡呈不对称“V”字型,左岸岸坡陡峻,自然坡角53°～70°,自然状态下天然岸坡稳定.

左岸坝肩出露的地层主要为地表第四系的覆盖层(残积土)及其下部的三叠系基岩(片麻岩),片麻岩片麻理产状在不同高程处变化很大,见表1.这与左岸岸坡高陡以及在自重作用下边坡岩体产生沿片麻理的卸荷和倾倒变形有关[1].

开挖边坡表部由于风化、卸荷、开挖影响及变形体的存在,岩体较破碎,裂隙较发育，但这种现象仅限于变形体及强风化岩体内.据钻孔勘探资料,中风化岩体中裂隙不甚发育,且规模亦较小.

表1　开挖边坡片麻岩片麻理产状变化统计表

左坝肩边坡开挖后表部各级岩体均出现风化特征,全风化岩体分布在高程1 560 m以上,该高程以下主要为强风化岩体,局部有中风化岩体.勘探结果见表2,综合来看,强风化岩体水平最大深度17.85 m,最小深度1.22 m,平均值11.05 m.

表2　水平钻孔中风化深度

1.2　开挖边坡中变形体基本工程地质条件

边坡开挖后在1 553 m高程以下发现倾倒变形岩体,主要分布在1 528～1 553 m马道之间的边坡上,顺河向长度约100 m,顺坡向最大宽度23 m,最大坡高25 m,开挖水平深度8.8 m,垂直深度9.5 m,开挖后残留平均厚度7.8 m.

该处共有4个勘探钻孔,垂直钻孔ZK03和ZK07发现该处片麻岩的片麻理倾角较缓,与地表基岩露头和钻孔深部正常岩体的片麻理倾角差别较大;近期完成的水平钻孔中,编号01号和04号钻孔揭露了倾倒岩体界限,见表3.

表3　勘探孔查明的倾倒岩体情况

变形体岩性为片麻岩,结构面以风化卸荷倾倒的片麻理为主,走向NW340°—NE10°,倾向N—SE,倾角∠32°~∠43°,倾向岸内;变形体内岩体多有拉裂、卸荷松动现象,局部架空,整体仍呈层状结构.边坡开挖后变形体与正常岩体分界线附近未发现规模较大的能引起变形滑动破坏的控制性结构面.

左岸岸坡地形高陡,局部岩体原有的应力平衡破坏,形成了单面临空的地形,为变形体提供了倾倒变形的地形边界条件.片麻岩的岩质坚硬,局部存在顺片麻理的蚀变带是倾倒变形产生的物质基础;片麻理产状走向与岸坡小锐角相交(小于30°),并倾向岸里,构成陡倾岸里的逆向坡;在岩体自重的作用下,岩层向临空面发生弯曲[2].变形模式为倾倒型.

2边坡稳定性评价

2.1　1 553 m高程以上岩(土)质边坡

1 553 m高程以上边坡主要由表层3～8 m厚的残积土、全风化片麻岩和部分强风化片麻岩组成.根据施工前后的地形，剖切该处典型断面6个，即A—A,B—B,C—C,D—D,E—E和坝轴线，开挖前、后的边坡平均坡角对比见表4.

该处开挖坡角约为45°,从表4可看出坡高最高的两个断面开挖后的平均坡角小于天然坡角,植草防护后,经过两个雨季的考验，该处边坡处于稳定状态.边坡的变形监测成果也证明了这一点.

表4　天然坡角与开挖后坡角及坡高的对比结果

2.2　1 518～1 553 m段岩质边坡

2.2.1结构块体组合分析

依据开挖编录资料,发现4组结构面,分别为J1,J2,J3和FJ.对岩质边坡进行了结构块体组合分析[3],重要组合分别为J1+J3,J1+J2,J1+J2+FJ和J1+J3+FJ.组合形成的楔形体空间视图如图1—4所示.

图1　结构面J1+J3组合的楔形体

图2　结构面J1+J2组合的楔形体

图3　结构面J1+J2+FJ组合的楔形体

图4　结构面J1+J3+FJ组合的楔形体

采用前期地质报告中的建议参数，具体情况见表5.利用Swedge(Demo)楔形体稳定分析软件分别对正常工况、降雨工况和地震工况下的楔形体进行稳定性分析,结果见表6.

表5　边坡裂隙产状统计表和计算参数

表6　楔形体安全系数计算结果

将计算结果与中国《水电水利工程边坡设计规范》(DL/T 5353—2006)中表5.0.4中的规定对照,表明边坡在正常工况、降雨工况和地震工况下均处于稳定状态.

2.2.2倾倒变形体的稳定性判断

由于变形岩体与正常岩体之间没有倾向岸外的控制性断层或结构面,在很长的地质历史时期一直处于变形阶段,并没有产生破坏或滑动.施工期间对变形体进行了部分挖除,倾倒变形体开挖前、后的剖面及厚度分别如图5所示和见表7.开挖后,各剖面残留变形岩体的最大厚度8.7 m,最小厚度5.6 m,平均厚度7.8 m,这对限制倾倒变形的进一步发展和保证边坡的整体稳定非常有利.

图5　倾倒变形体开挖前、后的坝轴线剖面图

表8为1 518～1 553 m岩质边坡开挖前后坡角与坡高的对比结果.由表可知,自然边坡的坡角为46°～56°,坡度比较陡,虽然自然边坡局部有倾倒变形特征,但自然状态下一直处于稳定状态.开挖后坡角为41°～49°,该坡角小于原来的天然坡角,属于稳定的坡角.

表7　开挖前、后倾倒变形岩体的最大厚度对比

表8　天然坡角与开挖后坡角及坡高的对比

2.2.3边坡变形监测

左岸边坡开挖以后建立了大地变形测量监测点,监测点编号为TP05,TP06,TP07,TP08,TP09,AW03.从2013年6月16日开始监测,2014年4月26日截止.监测数据如图6和图7所示.

图6　各监测点合成位移与时间的过程线

图7　各监测点合成位移速率与时间的过程线

由图6—7可知：经过314 d的观测,边坡累计位移量8.3～29.2 mm,累计位移量很小,变形甚微；位移速率0.03～0.09 mm/d,变形速率极小,证明边坡稳定[4].

3开挖支护措施的确定

在开挖边坡不存在深层滑动问题时,对开挖后边坡的支护主要是控制边坡浅层的卸荷、松动和局部的倾倒变形,采用系统锚杆+挂网+喷混凝土是行之有效的支护措施[5-6].锚杆的深度可以针对不同的地段区别对待,选择不同的深度.

对于倾倒变形部位,主要是采取适当的锚固,限制倾倒变形的进一步发展,锚固深度以穿过残留变形体,进入正常岩体为宜.如果按照残留倾倒岩体最大厚度8.7 m,估算的锚固深度约11.0 m;按最小厚度5.6 m,估算的锚固深度约8.0 m;按平均厚度7.8 m,估算的锚固深度约10.0 m,锚筋桩方向应垂直边坡开挖面.

对于倾倒变形体之外的正常基岩边坡,按卸荷松动最大深度3.0 m,估算的锚固深度为4.5 m,锚杆方向应垂直边坡开挖面.

4结语

左岸自然边坡在天然状态下稳定,坡角较陡,开挖以后的坡角略小于天然坡角,施工期开挖后没有发现倾向岸外的、可以引起坝肩边坡整体失稳(深层滑动)的规模较大的控制性结构面,也没有发现较大的断层或长大裂隙组合形成的大规模的楔形体破坏模式,浅表层小方量的两处拉裂坍塌经及时处理,对边坡的整体稳定影响微弱;左岸基岩边坡虽然有潜在倾倒变形分布,但未发展到破坏阶段或塌滑阶段.因此,可以判断无论是天然边坡,还是开挖后的边坡,均不存在大规模的深层滑动问题,左岸边坡整体是稳定的.稳定性计算结果和大地测量监测结果也证明了这一点.

参考文献

[1]黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制 [J].岩石力学与工程学报,2008,27(8):1525-1544.

[2]林锋,黄润秋,严明,等.小湾水电站进水口边坡稳定性复核及锚固力研究[J].工程地质学报,2009,17(1):70-75.

[3]韩梅.块体理论在边坡稳定性分析中的应用[J].西北水电,2009(5):13-16,38.

[4]肖杰,张锦.边坡位移监测数据的图形化表示方法[J].大地测量与地球动力学,2014,34(5):160-163.

[5]马洪琪.小湾水电站建设中的几个技术难题[J].水利发电,2009,32(9):17-21.

[6]向蕾.某一级水电站工程厂房高边坡处理设计[J].华北水利水电学院学报,2011,32(2):119-121.

(责任编辑：乔翠平)

Evaluation on the Excavation Slop Stability of Left Abutment of a Hydropower Station in Ecuador

MAO Huiyong, LUO Zhigang

(Xibei Engineering Co., Ltd., Power Construction Corporation of China, Xi′an 710065, China)

Abstract:Taking excavation slop above 1 518 m elevation in the left abutment of a hydropower station in Ecuador as an example, combining with the results of excavation surface geological survey, previous drilling exploration, experiments and latest horizontal core borehole, the software Swedge (Demo) was applied to analyze the stability of possible formed unstable blocks after slop excavation. According to the geological conditions before and after excavation, the stability of toppling deformation bodies was judged and compared with the monitoring results of in-situ deformation. The results show that the large-scale deep-layer slides don′t exist in natural slopes and excavation slopes, and the overall slope in the left abutment is stable, which is also verified by the monitoring results of in-situ deformation. In the end, the treatment measures for slopes are proposed according to analysis results.

Keywords:slope excavation; deformation characteristics; evaluation on stability; supporting measures

中图分类号：TV221.2

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)02-0054-04

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.02.012

作者简介：毛会永(1981—),男,河南开封人,工程师, 主要从事水利水电工程地质方面的研究.

收稿日期:2015-02-09